DE19906162A1 - Device for detecting the contact pressure between a contact wire and a pantograph - Google Patents
Device for detecting the contact pressure between a contact wire and a pantographInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the Preamble of claim 1.
Stromabnehmer moderner Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeu ge sollen hinsichtlich der Kontaktkraft zwischen der Schleifleist ihres Stromabnehmers und dem Fahrdraht als ak tiv geregelte Stromabnehmer ausgeführt werden, um unabhän gig von den Relativbewegungen zwischen Schienenfahrzeug und Fahrdraht, den von Wind und Fahrzeuggeschwindigkeit abhän gigen aerodynamischen Kräften auf die Stromabnehmerbauteile sowie dem Schwingungsverhalten des Stromabnehmers, des Fahrdrahtes und des diesen haltenden Kettenwerks ein Opti mum bei der Güte der Energieversorgung und dem Verschleiß an der Kontaktstelle zwischen Fahrdraht und Schleifleist finden und halten zu können. Während jener Kraftanteil der wahren Kontaktkraft, der aus der fahrzeuggeschwindigkeits abhängigen Luftanströmung auf die Stromabnehmerbauteile re sultiert, durch Messungen bestimmbar und für einen Regelal gorithmus als Parameterfunktion einprägbar ist, erfordert die Bestimmung der aus der mechanischen Aktion des Stromab nehmers und der Oberleitungsanlage resultierenden Anpreß kraft eine Einrichtung, die möglichst nahe an der Kontakt stelle diese Anpreßkraft nach ihrem Betrag und Ihrem An griffspunkt bestimmt und vom Meßort, der sich auf Hochspan nungsniveau (z. B. 3 kV Gleichspannung; 15 kV oder 25 kV wechselspannung) befindet, anpreßkraftäquivalente Signale an fahrzeuginterne Auswerteeinrichtung, die sich auf Gegen potential befinden, weiterleitet.Pantographs of modern high-speed rail vehicles ge should with regard to the contact force between the Grinding strip of your pantograph and the contact wire as ak Actively regulated pantographs are designed to be independent gig of the relative movements between rail vehicle and Contact wire that depends on wind and vehicle speed aerodynamic forces on the pantograph components and the vibration behavior of the pantograph, the Contact wire and the catenary holding it an opti mum in the quality of the energy supply and wear at the contact point between the contact wire and the grinding bar to be able to find and hold. During that portion of the force true contact force resulting from vehicle speed dependent air flow on the pantograph components right results, can be determined by measurements and for a regular can be memorized as a parameter function the determination of the mechanical action of the downstream and the overhead line system resulting pressure force a facility that is as close as possible to the contact set this contact pressure according to its amount and your request grip point determined and from the measuring point, which is on high chip voltage level (e.g. 3 kV DC voltage; 15 kV or 25 kV alternating voltage), contact force-equivalent signals to in-vehicle evaluation device, which is based on counter potential, forwards.
In der internationalen Anmeldung PCT 98/DE 01 657 wird eine Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft zwischen einem Fahrdraht und einem Stromabnehmer eines elektrisch gespei sten Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Schienenan triebfahrzeugs, beschrieben, die mit mindestens einem für die Bestimmung der Anpreßkraft zwischen dem Fahrdraht und einer Schleifleiste des Stromabnehmers geeigneten Phase op tischen Sensor, einer Einrichtung zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung und einer diese verbindenden Phase optischen Einrichtung zur potential getrennten Signalüber tragung versehen ist. Dabei soll der faseroptische Sensor möglichst nahe der wirklichen Kontaktstelle zwischen Strom abnehmer und Fahrdraht angeordnet sein und angreifende Kräfte zwischen den Bauteilen direkt ohne größere Relativ wege zwischen ihnen messen können. Das schwingungstechni sche und das aerodynamische Verhalten des Stromabnehmers sollen durch die Meßeinrichtung weitestgehend ungestört bleiben. Es sollen eine Bestimmung der Anpreßkraft sowohl nach ihrem Betrag als auch nach ihrem Angriffsort auf dem Schleifstück möglich sein und anpreßkraftäquivalente Signa le erzeugt werden, die für einen aktiv geregelten Stromab nehmer verwendbar sind.In the international application PCT 98 / DE 01 657 a Device for measuring the contact pressure between one Contact wire and a pantograph of an electrically powered Most vehicle, especially an electric rail traction vehicle, described with at least one for the determination of the contact pressure between the contact wire and a collector rail suitable phase op table sensor, a device for sensor control and Sensor signal processing and a phase connecting them optical device for potential separated signal transmission is provided. The fiber optic sensor as close as possible to the real point of contact between electricity Customer and contact wire must be arranged and attacking Forces between the components directly without major relative measure the distance between them. The vibration technology cal and the aerodynamic behavior of the pantograph should be largely undisturbed by the measuring device stay. There should be a determination of the contact pressure both according to their amount as well as their place of attack on the Slider can be possible and contact force equivalent Signa le are generated for an actively regulated current are usable.
Zu diesem Zweck sind zwischen einem Grundkörper der Schleifleist und einem Schleifleistenträger (Wippenrahmen) bzw. einem Schleifstück und dem Grundkörper der Schleiflei ste jeweils mit beiden fest verbunden zwei federelastische Verformungskörper angeordnet, die die Schleifleist bzw. das Schleifstück tragen und in denen je ein faseroptischer Re flexsensor integriert ist, der anpreßäquivalente Verformun gen des Verformungskörpers detektiert und an die Einrich tung zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung si gnalisiert, in der die detektierten Verformungen in anpreß kraftäquivalente Signale umgewandelt und ausgegeben oder aus denen gewünschte anpreßkraftänderungsäquivalente Befeh le abgeleitet und ausgegeben werden.For this purpose, between a basic body Sanding bar and a sanding bar holder (rocker frame) or a contact piece and the base of the grinding tool are each firmly connected to two resilient Deformation body arranged, the grinding bar or the Wear contact strip and in each of which a fiber optic re integrated flexsensor, the pressure equivalent deformation against the deformation body and sent to the device device for sensor control and sensor signal processing si gnalisiert, in which the detected deformations in press force equivalent signals converted and output or from which desired pressure force equivalent equivalents le derived and output.
Wenn die federelastischen Verformungskörper zwischen dem Schleifstück und dem Grundkörper der Schleifleiste angeord net sind, ergibt sich der Vorteil, daß auch die auf den Grundkörper als Auftrieb oder Abtrieb wirkenden Kräftean teile aus der wind- und fahrzeuggeschwindigkeitsabhängigen Luftanströmung bei der Messung berücksichtigt werden. Je doch ist diese Lösung konstruktiv aufwendiger als bei der Anordnung der Verformungskörper zwischen dem Grundkörper der Schleifleiste und dem Schleifleistenträger. Außerdem hat sich herausgestellt, daß diese aerodynamischen Kräfte weitgehend vernachlässigbar sind.If the resilient deformation body between the Abrasive piece and the main body of the contact strip arranged net, there is the advantage that also on the Basic forces acting as buoyancy or downforce parts from the wind and vehicle speed dependent Air flow is taken into account in the measurement. Each but this solution is structurally more complex than that of the Arrangement of the deformation body between the base body the contact strip and the contact strip support. Moreover it has been found that these aerodynamic forces are largely negligible.
Es wurde jedoch gefunden, daß durch beim Fahren auftreten den Schwingungen des Fahrdrahtes und des Stromabnehmers Be schleunigungskräfte erzeugt werden, die von der bekannten Meßeinrichtung nicht berücksichtigt werden, jedoch die tat sächliche Anpreßkraft gegenüber der gemessenen "statischen" Anpreßkraft nicht unbeträchtlich erhöhen oder verringern können. Diese Beschleunigungskräfte können aus dem Produkt von Masse und Beschleunigung der Schleifleiste berechnet werden. Da die Masse der Schleifleiste bekannt ist, ist die Erfassung der Beschleunigung ausreichend, um den Einfluß der (positiven oder negativen) Beschleunigung des Stromab nehmers auf die Anpreßkraft ermitteln zu können.However, it has been found to occur when driving the vibrations of the contact wire and the pantograph Be acceleration forces are generated by the known Measuring device are not taken into account, however, the fact neutral contact force compared to the measured "static" Do not negligibly increase or decrease the contact force can. These acceleration forces can come from the product calculated from mass and acceleration of the contact strip become. Since the mass of the contact strip is known, the Detection of the acceleration sufficient to influence the (positive or negative) acceleration of the downstream to be able to determine the contact pressure.
Die Messung der in Richtung der Anpreßkraft auftretenden Beschleunigungen des Stromabnehmers erfolgt bereits mit Hilfe von piezoelektrischen oder kapazitiven Beschleuni gungsaufnehmern. Diese liegen jedoch auf dem Potential des Stromabnehmers, d. h. auf Hochspannungsniveau, und erzeugen elektrische Signale, die mittels Potentialtrennung auf das Potential der Auswerteinrichtung herabgesetzt werden müs sen. Eine derartige Potentialtrennung ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden, bewirkt eine Beeinträchtigung der Signalgüte und läßt wegen eines mehrmaligen Filterns nur eine geringe Meßfrequenz zu.The measurement of those occurring in the direction of the contact pressure The pantograph is already accelerating with With the help of piezoelectric or capacitive acceleri sensors. However, these are at the potential of Pantograph, d. H. at high voltage level, and generate electrical signals on the Potential of the evaluation device must be reduced sen. Such isolation is, however, with a associated with great effort, affects the Signal quality and only leaves because of repeated filtering a low measuring frequency too.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung der Anpreßkraft zwischen einem Fahrdraht und einem Stromabnehmer eines elektrisch gespei sten Fahrzeugs mit einer Meßeinrichtung für die statische Anpreßkraft, die aus dem von der statischen Anpreßkraft ab hängigen Abstand zwischen zwei elektrisch miteinander ver bundenen Bauteilen des Stromabnehmers bestimmt wird, und mit einem mit dem Stromabnehmer gekoppelten Beschleuni gungssensor für die Ermittlung der in Richtung der Anpreß kraft erfolgenden Beschleunigungen des Stromabnehmers, des sen Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal der Meßeinrich tung zur Berechnung der Anpreßkraft verknüpft wird, anzuge ben, bei der die mit der bisherigen Potentialtrennung ver bundenen Nachteile vermieden werden und somit eine exaktere Erfassung der Anpreßkraft bei geringerem Aufwand möglich ist. It is therefore the object of the present invention, a Device for detecting the contact pressure between one Contact wire and a pantograph of an electrically powered Most vehicle with a measuring device for the static Contact pressure, which depends on the static contact force dependent distance between two electrically ver tied components of the pantograph is determined, and with an accelerator coupled to the pantograph supply sensor for determining the direction of the contact pressure due to accelerations of the pantograph, the Output signal with the output signal of the measuring device device for calculating the contact pressure ben, in which the ver with the previous electrical isolation tied disadvantages are avoided and thus a more precise Detection of the contact pressure possible with less effort is.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrich tung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the im characterizing part of claim 1 specified features. Advantageous further developments of the device according to the invention tion result from the subclaims.
Dadurch, daß der Beschleunigungssensor eine federnd am Stromabnehmer (6) angebrachte seismische Masse (3) auf weist, deren jeweilige Position optisch erfaßt und ein ent sprechendes Lichtsignal zu einem vom Stromabnehmer poten tialmäßig getrennten optoelektrischen Wandler übermittelt wird, wird die Potentialtrennung mit einfachen Mitteln und ohne Beeinträchtigung des Lichtsignals auf optischem Wege vorgenommen.Characterized in that the acceleration sensor has a resiliently attached to the current collector ( 6 ) seismic mass ( 3 ), the respective position of which is optically detected and a corresponding light signal is transmitted to a potential-separated optoelectric converter from the current collector, the electrical isolation is simple and made without affecting the light signal optically.
Vorzugsweise erfolgt die Übermittlung des Lichtsignals über einen Lichtleiter, so daß die Lage des optoelektrischen Wandlers im Fahrzeug frei wählbar ist.The light signal is preferably transmitted via an optical fiber so that the location of the optoelectric Converter is freely selectable in the vehicle.
Als Beschleunigungssensor eignet sich insbesondere ein fa seroptischer Reflexsensor mit einem Sendelichtleiter und einem Empfangslichtleiter, wobei die Lichtaustrittsfläche des Sendelichtleiters und die Lichteintrittsfläche des Emp fangslichtleiters einer reflektierenden Oberfläche der seismischen Masse gegenüberliegen und in Bezug auf den Stromabnehmer ortsfest sind.A fa is particularly suitable as an acceleration sensor Seroptic reflex sensor with a transmission light guide and a receiving light guide, the light exit surface of the transmission light guide and the light entry surface of the emp light guide a reflective surface of the opposite seismic mass and in relation to the Pantographs are stationary.
Die für die Anpreßkraft bedeutsamen Beschleunigungen haben eine maximale Frequenz von 20 bis 25 Hz, so daß der Meßbe reich zwischen weniger als 1 Hz und 25 Hz liegen sollte. Beschleunigungen mit einer höheren Frequenz als 25 Hz haben eine so kleine Amplitude, daß sie vernachlässigbar sind. Dementsprechend kann eine Resonanzfrequenz für den Be schleunigungssensor gewählt werden, die wenigstens 80 Hz beträgt. Eine zu hohe Resonanzfrequenz verschlechtert die Empfindlichkeit für die unteren Frequenzen im Meßbereich, insbesondere unter 1 Hz.Have the accelerations that are important for the contact pressure a maximum frequency of 20 to 25 Hz, so that the Meßbe should be between less than 1 Hz and 25 Hz. Have accelerations with a frequency higher than 25 Hz such a small amplitude that they are negligible. Accordingly, a resonance frequency for the Be acceleration sensor can be selected, the at least 80 Hz is. A too high resonance frequency worsens the Sensitivity to the lower frequencies in the measuring range, especially below 1 Hz.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt den schematischen Aufbau eines Beschleunigungssen sors, welcher mit einem Stromabnehmer gekoppelt ist, wie er beispielsweise aus der vorgenannten Anmeldung PCT 98/DE 01 657 bekannt ist.The invention is described below with reference to one in the figure illustrated embodiment explained in more detail. This shows the schematic structure of an acceleration sensor sors, which is coupled to a pantograph, like him for example from the aforementioned application PCT 98 / DE 01 657 is known.
Der Beschleunigungssensor besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 1, welches nur teilweise in der Figur dargestellt ist, einer im Gehäuse untergebrachten, über Federn 2 mit diesen gekoppelten seismischen Masse 3 und einem mit dem Gehäuse fest verbundenen, in dieses hineingeführten Licht leiter aus einem Sendelichtleiter 4 und einem Empfangs lichtleiter 5. Das Gehäuse 1 ist mit einem Bauteil 6 des Stromabnehmers fest verbunden, dieses kann beispielsweise der Wippenrahmen oder Schleifleiste sein. Das Gehäuse 1 und auch der Lichtleiter bewegen sich somit synchron mit dem Stromabnehmer. Die seismische Masse 3 hingegen folgt auf grund ihrer federnden Lagerung verzögert den Bewegungen der Schleifleiste.The acceleration sensor essentially consists of a housing 1 , which is only partially shown in the figure, a seismic mass 3 , which is accommodated in the housing and is connected to it via springs 2, and a light guide from a transmission light guide 4, which is firmly connected to the housing and led into it and a receiving light guide 5 . The housing 1 is firmly connected to a component 6 of the pantograph, which can be, for example, the rocker frame or contact strip. The housing 1 and also the light guide thus move synchronously with the pantograph. The seismic mass 3, on the other hand, follows the movements of the contact strip with a delay due to its resilient mounting.
Der Sendelichtleiter 4 und der Empfangslichtleiter 5 sind parallel zueinander in vorgegebenem Abstand, vorzugsweise direkt nebeneinander, so angeordnet, daß ihre im Gehäuse 1 befindlichen Stirnflächen, d. h. die Lichtaustrittsfläche bzw. die Lichteintrittsfläche parallel zu einer ihnen zuge wandten lichtreflektierenden Oberfläche der seismischen Masse 3 verlaufen. Der Sendelichtleiter 4 führt einen von einer Lichtquelle im Fahrzeug ausgehenden Sendelichtstrahl, der aus seiner Stirnfläche austritt und auf die reflektie rende Oberfläche der seismischen Masse 3 trifft. Dieses Licht wird reflektiert, wobei ein Teil des reflektierten Lichtes auf die Stirnfläche des Lichtempfangsleiters 5 trifft und durch diesen zu einem optoelektrischen Wandler geleitet wird, in welchem ein entsprechendes elektrisches Signal für die weitere Verarbeitung erzeugt wird.The transmitting light guide 4 and the receiving light guide 5 are arranged parallel to one another at a predetermined distance, preferably directly next to one another, in such a way that their end faces located in the housing 1 , ie the light exit face or the light entry face, run parallel to a light-reflecting surface of the seismic mass 3 facing them. The transmission light guide 4 carries a light beam emanating from a light source in the vehicle, which emerges from its end face and meets the reflecting surface of the seismic mass 3 . This light is reflected, a portion of the reflected light striking the end face of the light-receiving conductor 5 and passed through it to an optoelectric converter, in which a corresponding electrical signal is generated for further processing.
Das Verhältnis der auf die Lichteintrittsfläche des Emp fangslichtleiters 5 auftretenden Menge des reflektierten Lichts zu der aus dem Sendelichtleiter 4 austretenden Lichtmenge hängt von dem Abstand der Stirnfläche des Licht leiters zu der reflektierenden Oberfläche der seismischen Masse 3 ab. Da diese den Bewegungen des Stromabnehmers und damit auch des Lichtleiters verzögert folgt, tritt bei ei ner Beschleunigung des Stromabnehmers eine Veränderung des Abstands ein, deren Größe von der Beschleunigung abhängig ist. Somit ist die Stärke des vom Empfangslichtleiter 5 aufgenommenen und an den optoelektronischen Wandler weiter geleiteten Lichtsignals eine Funktion der positiven oder negativen Beschleunigung bei der Schwingungsbewegung des Stromabnehmers. Durch dessen Umwandlung in ein elektrisches Signal und Multiplikation mit der bekannten Masse des Stromabnehmers erhält man somit eine positive oder negative Kraftkomponente, die zu der beispielsweise durch die Meßeinrichtung nach PCT 98/DE 01 657 ermittelten statischen Anpreßkraft addiert wird, um die tatsächliche Anpreßkraft zwischen dem Fahrdraht und dem Stromabnehmer zu erhalten. Der Pfeil A in der Figur zeigt dabei die Richtung der An preßkraft an, d. h. die seismische Masse 3 schwingt in Rich tung der Anpreßkraft, so daß auch nur Beschleunigungen des Stromabnehmers in dieser Richtung berücksichtigt werden.The ratio of the amount of reflected light occurring on the light entry surface of the receiving light guide 5 to the amount of light emerging from the transmitting light guide 4 depends on the distance between the end face of the light guide and the reflecting surface of the seismic mass 3 . Since this follows the movements of the pantograph and thus also of the light guide with a delay, a change in the distance occurs when the pantograph is accelerated, the size of which depends on the acceleration. Thus, the strength of the light signal received by the receiving light guide 5 and passed on to the optoelectronic converter is a function of the positive or negative acceleration during the oscillatory movement of the pantograph. By converting it into an electrical signal and multiplying it by the known mass of the pantograph, a positive or negative force component is obtained, which is added to the static contact force determined, for example, by the measuring device according to PCT 98 / DE 01 657, by the actual contact force between the Contact wire and pantograph. The arrow A in the figure shows the direction of the pressing force, ie the seismic mass 3 oscillates in the direction of the pressing force, so that only accelerations of the pantograph in this direction are taken into account.
Der Beschleunigungssensor liegt auf dem elektrischen Poten tial des Fahrdrahtes. Da jedoch der Lichtleiter elektrisch isolierend ist, findet eine Potentialtrennung zwischen Be schleunigungssensor und optoelektrischem Wandler statt, so daß dessen Ausgangs-Nullsignal auf einen gewünschten Poten tialwert gelegt werden kann.The acceleration sensor is on the electric pot tial of the contact wire. However, since the light guide is electrical isolating, there is a potential separation between Be acceleration sensor and optoelectric converter instead, so that its zero output signal to a desired pot tial value can be placed.
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